可见光成像的主要缺点是二维？平面成像及不能绝对定量，新一代荧光分子断层成像（fluorescence molecular tomography, FMT）采用特定波长的激发光激发荧光分子产生荧光，通过图像重建提供目标的深度信息和对目标物进行立体成像，并且可以定量及多通道成像，能够在毫米量级的组织中检测与某种生理功能相关的荧光探针的浓度分布，在疾病特别是癌症的早期诊断、基因表达图谱、蛋白质功能研究、受体定位、细胞通路解释和检测小分子蛋白之间的相互作用等生物技术方面，有着重要的作用[10]。
几种基于荧光显微镜技术的方法适用于体外细胞也适合体内细胞的观察，如多光子显微技术、激光显微共聚焦技术和纤维光学方法等。因为共聚焦显微术使用方便、耗费少，所以应用最广泛，但如果观察时间过长且组织光穿过率低，光毒性导致的细胞死亡是其应用的局限性之一[1]。多光子显微技术能达到800 μm以上深度的空间分辨率，通过多通道检测不同标记的荧光物体，以及信号融合可得到三维图像信息，也可提供几个小时的高空间分辨率的成像[11]；虽然活体多光子显微成像系统提供的是相对定量的荧光信号，但它可以使用血管内定量参数及细胞迁移间隙定量。
可见光成像优势是使用低能量、无辐射、对信号检测灵敏度高、实时监测标记的活体生物体内的细胞活动和基因行为[12]，被广泛应用到监控转基因的表达、基因治疗、感染的进展、肿瘤的生长和转移、器官？移植、毒理学、病毒感染和药学研究中。目前光学成像大多还处在以小动物为对象的基础研究阶段，但随着可见光成像技术的成熟和完善，针对临床研究前期的相关工作将陆续开展。
2. 核素成像
正电子发射断层成像技术(positron emission tomography，PET)和单光子发射计算机断层成像术(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)是核医学的两种显像技术。
临床PET、SPECT显像效果欠佳，分辨率较低（临床PET分辨率为4~8 mm），无法满足小动物显像研究的要求[13]。小动物PET、SPECT专为小动物实验而设计，探测区域小，空间分辨率很高，可达1.0mm[13]，有些？动物PET使用活动的扫描架不只适合小动物也适合中等大小的动物[14]。PET与SPECT相同之处是都利用放射性核素的示踪原理进行显像，皆属于功能显像。除了一般的分子成像技术都具有的无创伤、同一批动物持续观察的优点外，小动物PET/SPECT与其他分子显像方法相比还具有以下显著优势：①具有标记的广泛性，有关生命活动的小分子、小分子药物、基因、配体、抗体等都可以被标记；②绝对定量；③对于浅部组织和深部组织都具有很高的灵敏度，能够测定感兴趣组织中p-摩尔，甚至f-摩尔数量级的配体浓度，对于大鼠的检测很方便；④可获得断层及三维信息，实现较精确的定位；⑤小动物PET/SPECT可以动态地获得秒数量级的动力学资料，能够对生理和药理过程进行快速显像；⑥可推广到人体[15]。
2.1 小动物PET：进行小动物PET显像，首先是利用医用回旋加速器发生的核反应，生产正电子放射性核素，通过有机合成、无机反应或生化合成制备各种小动物PET正电子显像剂或示踪物质。显像剂引入体内定位于靶器官，利用PET显像仪采集信息显示不同断面图并给出定量生理参数。小动物PET的优势在于特异性、敏感性和能定量示踪标记物，且PET使用的放射性核素多为动物生理活动需要的元素，因此不影响它的生物学功能，放射性标记物进入动物体内后，由于其本身的特点，能够聚集在特定的组织器官或参与组织细胞的代谢；半衰期超短，一般在十几分钟到几小时，适合于快速动态研究，如11C、15O、3N ，半衰期在20min以内[16]；同时湮没辐射产生的两个能量相等的γ光子互成180°，提供了很好的空间定位，所以正电子成像仪一般不需要机械准直器，采用电子准直，从而大大提高了探测灵敏度，改善了空间分辨率。
尽管小动物PET已取得了巨大发展，然而却面临以下挑战，空间分辨率和系统绝对灵敏度是影响PET图像质量的重要指标，但分辨率和灵敏度却是一对矛盾体，分辨率虽已达到1mm，但却降低了灵敏度；同时小动物PET在很大程度上缺少解剖结构信息和使用放射性核素，要求回旋加速器靠近成像设备[14]。
基于小动物PET巨大的应用潜能与前景，其必将成为药物的寻找和开发、以动物模型模拟人类疾病揭示疾病的生化过程、研究活体动物基因表达显像以及其他生物医学领域的重要方法[17]。
2.2 小动物SPECT：相对于小PET系统，小SPECT系统使用长半衰期的放射性同位素，不需要回旋加速器。常使用的放射性核素不是生理性元素，如：99mTc、111In、123I和67Ga等，这些放射性核素的半衰期从6h到3天，通常较PET使用的放射性核素半衰期长。单光子SPECT的灵敏度、分辨率及图像质量较PET差；而多光子SPECT系统空间分辨率能达到200μm，应用此模式图像可以由多个叠加数据重构，扫描时间也降低到几分钟，每个动物的辐射剂量也降低了[14,18]。随着技术的发展特别是新探测器如CZT (cadmium zinc telluride)将提高小SPECT敏感度到小PET水平。随着放射线示踪剂种类增加及不依赖回旋加速器，小SPECT有很大的应用前景，可用于监视生理功能、示踪代谢过程和定量受体密度等[18]。
作为生物医学研究的重要技术平台，核素成像技术用于发现易于为核素标记的既定靶目标底物的存在，或用于追踪小量标记基因药物和进行许多药物抵抗或病毒载体的传送。
3.小动物CT
CT是利用组织密度的不同造成对X射线透过率不同，对机体一定厚度的层面进行扫描，并利用计算机重建三维图像的影像技术。小动物CT（微型CT）作为一种最新的CT成像技术，具有微米量级的空间分辨率（>9μm）并可以提供三维图像[19]。大多数系统使用圆锥形的X射线辐射源和固体探测器。探测器可以围绕动物旋转，允许一次扫描动物整体成像；CT的视野探测器是决定CT分辨率水平的关键部件，小动物CT能达到不同的分辨率，从15~90μm，其应用范围很广；专门用于体内研究的仪器的最佳分辨率是50~100μm，虽然分辨率低但可降低辐射剂量，增快研究进展，使长期纵向研究得以顺利进行[20]。在分辨率为100μm时，对整个小鼠进行一次扫描大约需15分钟，更高分辨率的扫描需要更长时间的扫描[16]。
小CT系统在小动物骨和肺部组织检查等方面具有独特的优势。对于骨的研究，分辨率限制在15μm，如果在小梁水平上分析，负荷也被考虑在内；小CT也常应用在呼吸系统疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病）的检测，为避免呼吸和其他人为因素造成的动物固定器移动，现在多用附加组件来控制呼吸和使人为因素最小化；特异对比因子的使用可以进一步促进软组织的研究如心血管发生、肿瘤生长等。高分辨率小CT系统在研究软组织肿瘤和转基因动物的特征性结构上取得了较好的效果[14]。
第一代小CT的主要缺点是即使使用特异对比因子、高辐射剂量和长时间的扫描，对软组织的相对分辨率仍很低。第二代小CT系统组合了很多在临床上使用的技术，配置了小探测器组件和更强大的X线管，可实现更快地扫描整个动物（0.8s），并可使用临床对比剂（造影剂）而且使灌注研究成为可能。此外，使用碘酸盐造影剂显著地改善了图像的对比度，能够看清更小直径的血管（20μm）。这项技术主要的不足是还必须暴露在电离辐射下，特别是持续反复的研究，电离辐射可能改变肿瘤学等方面的研究[14]。
为了使CT具有分子成像能力，特异CT探针被设计出，探针在CT扫描时同时使用[21]。遗憾的是，对比剂的使用导致射线的危害。因为敏感度和空间分辨率也依赖于CT暴露的时间和对比剂使用的数量。
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